半导体量子点与微纳金属结构表面等离激元相互作用的研究

The quantum optical information processing based on nanophotonics has great potential in the the development of high-speed information processing. However, achieving high-efficiency, small-scale, controllable integrated quantum photosource and optical quantum information processing devices is stil one of the key challenges should to be solved. According to above application requirements and key issues, this project will investigate the interaction between semiconductor quantum dots and metallic nanostructure surface plasma. Based on electrodynamics and quantum theory,using the theoretical modeling, numerical simulation, parameter optimization and experimental validation, this project will deeply study the binding energy and dynamic characteristics of exciton and biexciton in semiconductor quantum dots. The physical mechanisms and key parameters of the coupling interaction between complex excition and plasmon will also be analysed. Through the preparation of semiconductor epitaxial quantum dots and optimizing design of metal micro-nano structures, the excitation, coupling and control issues of quasi-particle like surface plasmon and excition in nanophtonics will be solved, which provides theoretical guidance and technical support for the design and development of key components for quantum optical information processing. The outcome of the project has great significance to understand the mechanism of interaction between light and matter within cavity quantum electrodynamics framework and motivate the development and application of semiconductor and surface plasmon-based nanophtonics.

基于纳米光子学的量子光信息处理是高速信息处理发展的必然趋势，其中，实现高效、小尺度、集成可控的量子光源和光量子信息处理器件是亟需解决的关键问题之一。根据以上应用需求和关键问题，本项目将开展半导体量子点与金属表面等离子体相互作用的研究。基于电动力学和量子理论，采用理论建模、数值仿真、参数优化与实验验证相结合的方法，深入研究半导体量子点的激子、双激子的结合能和动力学特性，分析复杂激子与等离激元的耦合相互作用的物理机制和关键参数，并通过制备半导体外延量子点材料和优化设计金属微纳结构，解决纳米光子学中表面等离激元、激子等准粒子的激发、耦合和控制问题，为量子光信息处理关键器件的设计和研发提供理论指导和技术支持。项目预期成果对掌握以腔量子电动力学为框架的光与物质相互作用机理、推动半导体和表面等离子体为基础的纳米光子学发展及应用，具有十分重要的意义。

本课题执行期间，紧密围绕实现高效、小尺度、集成可控的量子光源和光量子信息处理器件是这一关键问题展开研究。 课题组的主要研究工作如下：1）量子、纳米结构的制备工作；使用有限元计算方法，建立量子点应变场与位错应变场相互作用的能量平衡模型，利用能量平衡理论计算得出能够抑制贯穿位错传播的量子点有效区域。利用水热还原碳化路线，理论研究并实验制备出了半径50-60nm，长度为几十微米的锯齿状碲化银纳米线以及核壳结构的Ag2Te/C纳米线，制备出了半径约为150nm的碲化银核/碳壳纳米棒和半径为140nm的碲核/碳壳纳米棒。2）量子点与光子学微腔相互作用用于量子光源的研究；研究建立了基于几何投影法和有限元法的优化方法，设计了新型光子晶体微腔和光子晶体波导结构，提出了一种用于超慢光传输的能带平坦的光子波导。研究了量子点-双模微腔耦合系统的反常光子阻塞效应，提出了双模泵浦激励模型，在理论上验证了利用该系统实现几乎完全纯净的单光子发射的可能。3）等离激元共振相互作用的超材料电磁吸收器研究；设计出了使用铁作为产生表面等离激元效应金属的高性能太阳光器，吸收器多层结构通过类似F-P腔效应产生多个相互叠加的不同频谱的共振峰从而实现宽带吸收。设计出了一种宽角度、极化不敏感的新型八重对称开口环超材料太赫兹宽带吸收器。4）基于表面等离激元的折射率传感器研究；设计研究了一种基于表面等离激元效应的由金属-介质-金属多层周期结构组成的超窄带吸收器，应用于折射率传感领域性能优越。基于共振耦合原理和有限元分析法，研究设计了硅基衬底可制备、成熟CMOS工艺兼容的基于经典波导-圆角共振腔系统的折射率传感器。此外，设计并研究了应用于近红外波段的具有优良性能指标的基于硅基衬底制备的垂直沟槽杂化波导-法布里珀罗腔系统折射率传感器。项目成果对掌握以腔量子电动力学为框架的光与物质相互作用机理、推动半导体和表面等离子体为基础的纳米光子学发展及应用，具有十分重要的意义。